液体点滴速度监控装置点滴速度控制及检测

液体点滴速度监控装置点滴速度控制及检测
前言
目前医院使用的点滴输液装置是将液体容器挂在一定的高度上，利用势能差将液体输入到病人的体内（图1），通过软管口径的压紧和放松来控制点滴速度。

有经验的医护人员可以根据药剂的特性对点滴速进行控制，但是一般的病人却无法做到，控制不好还有一定的危险性。

在一些大医院一个护士常常需要负责十几个、甚至几十个床位的液体点滴,很容易出现混乱局面,导致工作效率降低。

为了提高医院本身的管理水平和工作效率,减轻医护人员的劳动强度，对于可以进行自助式护理的病人来说，需要一种可以由病人自己操作，自动定时、定量向病人进行输液的装置；而对于医护人员来说，需要一种可以对所有的病人进行统一监控的智能监控装置。

本设计就是针对以上问题而做的智能型液体点滴速度监控装置。

设计要求为能有以下几种功能：
（1）检测输液点滴速度
（2）检测输液点滴高度
（3）控制点滴速度
（4）显示点滴速度
（5）能设置点滴速度
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图1 45
第一章硬件设计说明
1.1 系统简介
本设计分为主机控制，从机测量，主从通信三个框架。

由从机测量并控制点滴速度，得到的数据送到单片机进行处理，再通过RS485通信将数据反馈给主机进行显示处理，主机也可以通过RS485通信对从机进行控制。

本人负责点滴速度检测及控制部分。

系统框图（图2）如下：
图2 系统框图
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1.2方案设计过程及实现方法
1.2.1 点滴速度检测电路设计
点滴速检测是整个系统的核心，检测精度是衡量系统精确性的一个最重要指标。

这样就不会因为点滴速度异常而使患者面临危险。

出于安全性考虑，在检测点滴速度时不能使原胶管破损，否则就会对输液造成严重感染而影响患者，因此在检测点滴速度时要用非接触的方式。

方案一：利用发射型光电传感器，传感器工作时，当物体经过射程之内，就会对红外光进行反射，传感器接受到这个感反射信号后动作，以检测物体稳定动作的最大距离。

但是光电传感器对各种介质的反射程度不同，对水的动作距离近，对玻璃的动作距离远。

而且光电传感器体积较大，需要距离滴斗一定距离才能分辨不同介质，无法安装在合适的位置上，所以最终放弃这种方案。

方案二：利用光束采集方法，利用液滴下落时接收到的光强的变化反映液滴个数。

根据光学折射原理，光线在穿透密度不同的介质时，将发生散射，使光强发生变化。

在检测过程中将滴管放置在检测用的发光器件的中间即可反映这种变化。

光束采集方案有几种器件可以使用：
①使用发光二极管和光敏三极管组合。

②使用红外发光二极管和接收管组合。

③利用激光。

通过对比，在这次设计中由于是近距离探测，故采用方案②来完成数据采集。

由于红外光波长比可见光长，因此受可见光的影响较小。

同时红外系统还具有以下优点：尺寸小、质量轻，能有效的抗可见光波段的伪装，对辅助装置要求最少，对人眼无伤害。

红外传感器，即红外发射跟接收二极管。

在点滴滴斗两边分别装上红外发射跟接收二极管，没有液滴落下时，接收管正常接收，每当液滴落下的时候，发射出的红外光被散射或折射，接受管接收到的光强变弱。

利用这样的信号变化，可以测出变化次数，也就是液滴个数，经过数据处理得到点滴速度。

红外光的方向性好，集束能力强，所以信号变化比较明显，所以最终使用此方案。

当然红外光也有一定的缺点，如大气、潮湿的天气、雾和云对它
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有衰减作用，所以只适用于室内通信。

在现代生活中，人们为了更方便的使用红外光这种有效的媒质，利用红外光做出了很多器件，发射式光电检测器就是其中的一种器件，它具有体积小、灵敏度高、线性好等特点，外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高。

用它作为近距离传感器是最理想的，电路设计简单、性能稳定可靠。

考虑到用单片机进行数据处理，要把输入信号转化成数字（0.1）状态，所以要用到比较器。

又考虑到采集到的模拟信号有可能比较弱，变化不明显，（在输入端信号变化小）有可能经过比较器也产生不了明显的变化效果，所以要将它进行放大后再输入比较器内，据此可以用LM324芯片，它同时有放大和比较两种功能。

1.2.2 电机控制电路设计
为了拉动输液器，以改变它的高度改变点滴速度，使用直流电机，两端加正电压为正转，加负电压为反转。

因此考虑用继电器来当控制开关，控制电机两端的电压。

通过查阅资料，确定继电器的驱动跟保护电路。

控制信号由单片机产生，用光耦合器隔离，通过控制单片机的输出高低电平以控制继电器的驱动电路。

1.3 点滴检测电路设计及其分析
图3 点滴检测电路
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第一部分为红外发光接收二极管的驱动跟接收电路；第二部分为把变化信号进行放大；第三部分为把放大后的信号与设定的电压作比较，比较后的结果输入到单片机P3.2端进行数据处理。

红外发射管一直处于发射状态，在运放前加了电容隔直流，减少干扰。

当液滴没有落下的时候，红外接收管输出低电平，经过运放放大比较输出低电平；当液滴落下时，红外发射管发出的光被液滴散射削弱，使接收管的电平变高，经过运放放大比较后输出一个高电平。

所以当单片机接收到一个高电平时表明一滴液滴落下。

具体过程如下：当没有液滴下落时，接收二极管正常接收，处于导通状态，输出为低电平，通过运放放大后仍为低电平，由LM324的第6端输入，与5端的2.5V比较，因为低于2.5V，所以输出为低电平，通过P3.2送入单片机进行数据处理，因此当没有液滴下落的时候，单片机接收的一直是低电平；当有液滴下落时，发射二极管发射的红外光被液滴散射，导致接收二极管无法导通而输出高电平，经过运放放大10倍后由LM324的6端输入，与5端的2.5V比较，因为高于2.5V，所以输出为高电平，通过P3.2送入单片机进行数据处理，因此当有液滴下落的时候，单片机接收的高电平，接收的高电平个数就是液滴下落的个数。

1．4 直流电机控制电路设计及分析
直流电机控制电路如图4。

第一部分为光耦合器的驱动电路；第二部分为继电器的驱动及保护电路，在继电器两端并联一个二极管，触点断开时，二极管导通，吸收电感负载中储存的能量；触点闭合时，二极管截止，起保护感性触点作用，避免继电器被烧坏；第三部分为电机两端电压控制电路。

当P1.0输出高电平，P1.1输出低电平时，只有下面的光耦合器接通，带动三极管驱动继电器电路，继电器使开关闭合，电机两端接负电压，电机反转，使储液瓶的势差减小而减慢点滴的下落速度；当P1.0输出低电平，P1.1输出高电平时，只有上面的光耦合器接通，带动三极管驱动继电器电路，继电器使开关闭合，电机两端接正电压，电机正转，使储液瓶的势差增达到而加快点滴的下落速度。

当两个端口都输出高电
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平时，上下的光耦合器都不接通，所以开关都断开，电机不工作；两个端口都输出低电平时，上下的光耦合器都接通，开关也都接通使电路短路，这种情况不允许发生，所以在对其进行编程的时候应该注意延时，要闭合某个开关时要确定一个开关完全打开，以避免两个开关同时接通而造成电路短路。

图4 直流电机控制电路
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第二章主要器件介绍
2.1 红外发射接收二极管
半导体发光二极管是一种把电能直接转换成光能的固体发光器件，也称注入型电致发光器件。

它在日常生活中应用广泛，具有以下几个特点：
（1）寿命长，一般都在几万小时以上；
（2）体积小，功耗低，响应速度快；
（3）可靠性高，发光光谱单色性好，波段范围宽；
发光二极管的电流-电压特性曲线如图5：
图5 发光二极管的电流-电压特性曲线
在具体应用时，发光二极管的直流驱动电路如图6(a)所示，交流电源驱动电路如图6(b)所示。

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图6 发光二极管驱动电路
由于发光二极管的正向伏安特性曲线很陡，所以在使用时必须串联限流电阻，以控制通过管子的电流，防止烧坏管子。

在直流电路中，限流电阻R 的阻值由下式估算：
F F I U E R /)(-= ①
式中 R ——限流电阻，k Ω
F U ——发光二极管正向压降，V
F I ——发光二极管一般工作电流，mA
在交流电路中，其限流电阻R 可由下式估算：
F F RMS I U E R 2/)(-= ②
式中 R ——限流电阻，k Ω
RMS E ——交流电源电压的有效值，V
本设计所用的二极管为红外发射接收二极管。

2.2 LM324
运算放大器是用反馈控制其特性的直接耦合的高增益放大器。

它具有增益高，共模抑制比高，输入阻抗高，输出阻抗低，电源电压变动适应范围宽， 频率范围宽，以及稳定性和可靠性高等特点。

因此，运算放大器几乎可以用于线性和非线性电子学的每一个领域，也可以用于某些数字电路中。

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图7所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立，LM324内有4个高性能运算放大器，并有相位补偿
电路，耗电低，可用正电源或正负双电源工作，电源电压范围宽，正电源为3.0~30.0V，正负电源为+1.5~15V，输入电压范围大，并可以低到地电位，而输出电压范围为0~Vcc。

内电路包括各种转移放大，直流放大，可代换许多不同厂家或公司生产的同类产品。

主要电参数见表1。

图7LM324外型图
表1 主要参数
每一组运算放大器可用图8（a）所示符号来表示，它有5个引出端，其中“+”“-”分别为2个信号输入端的同相输入端和反相输入端，“V+”，“V-”为正，负电源端，“Vo”为输出端。

LM324的引脚排列见图8（b）。

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，价格低廉等优点，因此被广泛应用于家用电器，工业仪器，电子玩具，报警装置，自动控制等电路中。

可以利用它构成正，负反馈放大电路，音调控制电路，信号分配放大电路，信号运算电路，测量放大电路，有源滤波电路，电压比较电路，触发器等。

（a ）符号 （b ）引脚图
图8 LM324芯片
（1）反相运算放大电路
反相运算放大器，简称反相放大器，如图9所示。

输入信号加在反相输入端1R 和f R 组成负反馈网络。

图9 反相运算放大器
通常，为了保持差分放大电路的对称性，在同相端接有电阻R 使输入电路两端的电阻尽量相等，p R 的值由下式给出：
f f p R R R R R +=
11 ③
（2）比较器
图10 比较器
当运放去掉反馈电阻时，或者说当运放处于开环状态，理论上认为运放的开环放大倍数为无穷大（实际上是很大，如LM324运放开环放大倍数为100Db，即10万倍）。

此时运算放大器便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+）,就是低电平（V-或地）。

当同相输入端电压高于反相输入端电压时，运放输出高电平，当同相输入端电压低于反相输入端电压时，运放输出低电平。

图8中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1’组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1,电阻R2,R2’为运放A2设立比较电平U2。

输入电压Ui同时加到A1的同相输入端和A2的反相输入端之间，当Ui>U1时，运放输出高电平；当Ui<U2时，运放A2输出高电平。

运放A1、A2只要有一个输出高电平，晶体管BG1就会导通，发光二极管LED也会亮。

若选择U1>U2，则当输入电压Ui越出[U2,U1]区间范围时,LED点亮，这便是一个电压双限指示器。

若选择U2>U1,则当输入电压Ui在[U1,U2]区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。

此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测，短路，断路报警等。

2.3 光电耦合器
光电耦合器是一种把发光器件（一般为红外发光二极管）和光敏器件封装在同一个壳体内的光电转换器件（电信号→光信号→电信号），其基本结构如图11所示。

通常将发光器件一则称为输入端，光敏接收器件一则称为输出端。

输入端有一个电信号时，发光器件发出的光信号通过透明光导介质传输到光敏器件后，转换成电信号输出，即在信息的传输过程中，用光作为媒介把输入端和输出端的电信号耦合在一起。

在它的线性工作范围内，这种耦合具有线性变化关系。

由于输入端和输出端之间是用光来耦合，因而输出信号对输入端无反馈，很好地实现了电性能上的隔离。

它被广泛地应用于微机和受控电路的接口、高频功率电源的反馈控制，也适用于不同电位、不同阻抗电路之间的传输和隔离，并用于抑制线路间和接地回路中的噪声，尤其作为无触点开关使用比传统的继电器更为安全、可靠。

图11 光电耦合器基本结构
光电耦合器的主要结构是把发光器件和光接收器件组装在一个密闭的管壳内, 然后利用发光器件的管脚作输入端, 而把光接收器的管脚作为输出端。

当在输入端加电信号时,发光器件发光。

这样,光接收器件由于光敏效应而在光照后产生光电流并由输出端输出。

从而实现了以“光”为媒介的电信号传输, 而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的。

这
样就构成了一种中间通过光传输信号的新型半导体光电子器件。

光电耦合器的封装形式一般有管形、双列直插式和光导纤维连接三种。

光电耦合的主要特点如下:
●输入和输出端之间绝缘, 其绝缘电阻一般都大于1010Ω , 耐压一般
可超过1kV, 有的甚至可以达到10kV以上。

●由于“光”传输的单向性, 所以信号从光源单向传输到光接收器时不
会出现反馈现象, 其输出信号也不会影响输入端。

●由于发光器件(砷化镓红外二极管) 是阻抗电流驱动性器件, 而噪音
是一种高内阻微电流的电压信号。

因此光电耦合器件的共模抑制比很大,所以光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。

●容易和逻辑电路配合。

●响应速度快。

光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒级。

●无触点、寿命长、体积小、耐冲击。

光电耦合器的几种驱动电路
（a）（b）
图12 光电耦合器的驱动电路
其中图12（a ）发光二极管串联的电阻Rs 用于调整流过发光二极管的电流F I 由于电源电压必须超过发光二极管正向压降（约为1.2V ，用F U 表示）的二倍，所以F U >2.4V 。

如果需要恒定驱动电流F I ，可以采用图12（b ）。

图12（a ）驱动电路的限流电阻可以由下式计算：
F F CC S I U U R -= ④ 图12（b ）所示电路是用场效应管驱动，其电阻F R 可以由下面联立方程求得。

F D GS R I U = ⑤
2)1(P
GS DSS D U U I I -= ⑥ 式中GS U 为栅极和源极之间的电压，DSS I 为饱和漏极电流，P U 为夹断电压，漏极电流D I ≈F
I 。

以上几种光电耦合器基本驱动电路结构简单，设计方便，只要选择F I 不要超过极限电流就可以了。

光电耦合器的几种输出电路
（
a ）
（b）
图13 光电耦合器输出电路
上面两种是光电耦合器的基本输出电路。

图13（a）和图13（b）的不同在于前者在入射光输入时输出呈“0”态，即低电平；而后者与之相反，在入射光输入时输出呈“1”态，即高电平。

这两种都是光电耦合器调制光受光输出电路。

其中图13(a)是最基本的电路，电阻R作为光敏三极管的负载，通过C、 R耦合到后一级放大器将光电信号放大后再输出。

这个电路的缺点是：当稳定光中串入强的外部干扰时，光敏三极管就饱和了，这样稳定光加调制光相对于总入射光就比较弱了。

图13（b）是以电感作为光敏三极管的负载的，这样做仅对交流信号具有高阻抗，消除了外部稳态干扰光的影响。

发射极电阻R是为了在遇到非常强的稳定光时，防止光敏三极管流过强的电流。

光电耦合器的应用
光电耦合器在电子线路中有非常广泛的应用，特别是在电路隔离，噪声抑制等方面显示了它突出的优点。

（1）在逻辑电路上的应用：用光电耦合器可以构成各种逻辑电路。

由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它
构成的逻辑电路更可靠。

（2）作为固体开关应用：在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，这对于一般的电子开关来说是很难作到的，但用光电耦合器就很容易实现。

下图（图14）就是简单的固体开
关电路。

图14 常开电路
图14是一个常开的开关，用晶体管的输入信号来控制输出。

当晶体管处于截止状态时，开关不通。

当晶体管输入正脉冲，处于导通状态时，开关接通，有光电流输出户。

限流电阻
F
R按下式选择：
F CES
F
CC
F I U
U
U
R )
(+
-
=⑦
图15 常闭开关
图15是常闭开关。

当晶体管处于截止状态时，发光二极管有足够的电流通过，使a、b两端处于导通状态，相当于开关接通。

当晶体管输入正脉冲而处于饱和导通状态时，该管c、e间的压降多在0.3V以下，远小
于发光二极管的正向导通电压（1.2～2V），故发光二极管无电流通过，使ab两端电阻极大，相当于开关断开。

该电路的限流电阻
F
R按下式计算:
F CES
F
CC
F I U
U
U
R )
(+
-
=⑧
光电耦合器的光敏三极管的最大输出电流一般是30mA。

2.4 继电器
继电器是我们生活中常用的一种控制设备，通俗的意义上来说就是开关，在条件满足的情况下关闭或者开启。

继电器的开关特性在很多的控制系统尤其是离散的控制系统中得到广泛的应用。

固态继电器（SSR）是一种由固态电子器件所组成的新型无触点开关期间。

它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。

它利用分立元件，集成器件及微电子技术实现控制回路（输入）与负载回路（输出）之间的电隔离和消耗耦合，达到无触点，无火花接通和断开电路的目的，具有工作可靠，驱动功率小，开关速度快，使用寿命长，无噪音和抗干扰的特点。

且能与CMOS，TTL，HTL等叔祖电路相兼容。

因此，其应用领域十分广泛，诸如微机的I/O接口，防爆场合和自动控制领域等。

固态继电器的分类
固态继电器按负载电源类型分为交流型（AC-SSR）和直流型（DC-SSR）两种。

AC-SSR以双向晶体管（或两只反并联的单向晶闸管）做开关元件，DC-SSR以功率晶体管做开关元件，分别用以接通和断开交流和直流负载电源。

交流固态继电器按控制触发的形式分为过零触发型和随机导通型两种。

当控制信号加入时，前者只能在交流电源电压过零点附近才导通，后者则在交流电压的任意相位上导通和关闭。

常开式固态继电器在其输入段加入控制信号时，输出端接通，而常闭式则相反。

以安装形式可分为装配式，插座式和焊接式三种。

装配式固态继电器可
以安装在配电板上，焊接式固态继电器可以直接焊接在印刷电路板上。

固态继电器的构成及工作原理
固态继电器一般由三部分组成：输入部分，控制部分和输出部分。

输入部分由输入组和光耦合器的发光二极管组成；输出部分由三端双向可控硅元件和浪涌吸收缓冲器组成；控制部分在输入输出两部分之间，由光耦合器的受光部分和过零电路组成，受光部分可以是光三端可控硅，光晶体管等。

输入部分感受输入信号，并转换为光信号送给控制部分。

控制部分感受输入级的光信号并转换为电信号控制输出部分的导通或切断。

输出部分驱动负载并吸收高压电源线上可能出现浪涌电压，以保证固态继电器可以可靠工作。

以下图（图16）过零控制方式的固态继电器，以它为例来说明其工作原理。

图16 过零控制方式的固态继电器
（1）输入控制信号，相当于开关闭合，光耦合器的发光二极管流过电流并发光；
（2）作为受光器的光三端双向可控硅开关受光，同时由于过零电路的作用，在负载电源电压为零值附近时开通，使输出部分的三端双向可控硅元件电弧导通；
（3）由于是可控硅元件导通，使负载上有电流流过；
（4）由于是可控硅元件导通，所以即使撤消输入信号也不会使负载电流截止，只有在负载电流降到三端双向可控硅元件的保持电流以下时，才能关断。

固态继电器的工作波形如图（图17）：
图17 工作波形
由以上分析可见，过零控制型固态继电器在负载电源电压为零时导通，在输入信号撤消后，又在负载电源电压为零时截止。

固态继电器的主要性能特点和参数
（1）驱动功率小光点隔离的输入驱动电流仅需要10mA左右，便于与TTL，HTL和CMOS等数字集成电路连接，无需另加接口电路。

（2）无触点，无动作噪音，无火花干扰，耐振动，寿命长，开关速度快，可靠性高。

（3）应用范围光交流：大功率1~40A，电网电压110~380V。

直流：电流1~5A，负载电压3~50V。

（4）对电源电压适应能力强，一般低于电源电压20%仍能正常工作。

承受浪涌电流大，一般能达到额定值的6~10倍。

（5）绝缘耐压高，输入与输出见的绝缘耐压可达2.5kV以上。

（6）与普通继电器相比，固态继电器没有辅助触点。

典型继电器原理图
如图（图18）所示，当K接通时，J动作。

动触点C与A脱离，与B闭合。

红灯熄灭，绿灯点亮。

当C断开时，J释放，动触点C与B脱离，与A闭合。

绿灯熄灭，红灯点亮。

这就是单稳态继电器完成自动开关功能的全过程。

图18 继电器原理图
继电器的几种驱动电路
（1）复合管驱动电路
图19 复合管驱动电路
如图（图19）所示，在BG1基极上加上正的输入信号时，复合管BG1、BG2导通，激励继电器动作，继电器触点组执行预定的换接功能。

双向可控硅驱动电路
下图（图20）所示的是双向可控硅驱动电路。

该电路可以实现用小的输入信号控制交流继电器。

当输入端上输入小的触发信号时，双向可控硅导通，激励继电器动作。

除去输入信号时，即可使双向可控硅截止，继电器J释放。

图20 双向可控硅驱动电路
（3）光电池驱动电路
下图（图21）所示的是光电池驱动电路。

当较强的光照射在光电池上时，就产生较高的偏置电位，从而触发BG1导通，激励继电器动作。

基于器件的考虑，最后选择了这种驱动电路。

图21 光电池驱动电路
感性负载触点的保护
如前所述，当触点断开感性负载电路时，负载中贮存的能量必须通过触点燃弧来消耗。

为了消除或减轻电弧对断开感性负载触点的危害，延长触点的使用寿命，消除或减轻继电器对相关灵敏电路的电磁干扰.损害，通常采用电弧一直保护措施。

如何达到有效保护目标，取决于负载的性质，所加电压性质，电源的类型（交流或直流），被保护触点的类型以及环境条件等因素。

一般都应进行试验，确定效果情况，择优实施。

下面介绍几种保护感性负载触点的电路。